CN108305911B - 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 - Google Patents
吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108305911B CN108305911B CN201810219693.1A CN201810219693A CN108305911B CN 108305911 B CN108305911 B CN 108305911B CN 201810219693 A CN201810219693 A CN 201810219693A CN 108305911 B CN108305911 B CN 108305911B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- layer
- layers
- shaped
- concentration
- doping
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 title claims abstract description 23
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 title claims abstract description 18
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 claims abstract description 16
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910016920 AlzGa1−z Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 239000000872 buffer Substances 0.000 claims abstract description 11
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 8
- 229910017083 AlN Inorganic materials 0.000 claims description 7
- PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N Aluminum nitride Chemical compound [Al]#N PIGFYZPCRLYGLF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 claims description 3
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims 6
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 claims 6
- 230000009102 absorption Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 29
- 229910002704 AlGaN Inorganic materials 0.000 description 17
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 description 7
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 5
- 238000013461 design Methods 0.000 description 5
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 4
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000004044 response Effects 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 229910000530 Gallium indium arsenide Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002745 absorbent Effects 0.000 description 1
- 239000002250 absorbent Substances 0.000 description 1
- 230000003471 anti-radiation Effects 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000023004 detection of visible light Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000002488 metal-organic chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000001451 molecular beam epitaxy Methods 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 230000005622 photoelectricity Effects 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 1
- 238000011896 sensitive detection Methods 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 230000000699 topical effect Effects 0.000 description 1
- 229910052984 zinc sulfide Inorganic materials 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/08—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors
- H01L31/10—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof in which radiation controls flow of current through the device, e.g. photoresistors characterised by potential barriers, e.g. phototransistors
- H01L31/101—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation
- H01L31/102—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier
- H01L31/107—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes
- H01L31/1075—Devices sensitive to infrared, visible or ultraviolet radiation characterised by only one potential barrier the potential barrier working in avalanche mode, e.g. avalanche photodiodes in which the active layers, e.g. absorption or multiplication layers, form an heterostructure, e.g. SAM structure
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
- H01L31/0248—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies
- H01L31/0256—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof characterised by their semiconductor bodies characterised by the material
- H01L31/0264—Inorganic materials
- H01L31/0304—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds
- H01L31/03046—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP
- H01L31/03048—Inorganic materials including, apart from doping materials or other impurities, only AIIIBV compounds including ternary or quaternary compounds, e.g. GaAlAs, InGaAs, InGaAsP comprising a nitride compounds, e.g. InGaN
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Light Receiving Elements (AREA)
Abstract
本发明公开了一种吸收、倍增分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层按自下而上的生长顺序依次为AlN缓冲层，非故意掺杂AlwGa1‑wN过渡层，非故意掺杂AlkGa1‑kN组分渐变层，重掺杂n型AlxGa1‑xN欧姆接触层，非故意掺杂AlyGa1‑yN吸收层，电荷层，非故意掺杂AlyGa1‑yN倍增层以及p型掺杂AlyGa1‑yN层；其中，所述的电荷层至少包括三层n型AlzGa1‑zN层，且电荷层中掺杂浓度依次呈高—低—高马鞍型掺杂分布。本发明所述探测器可有效改善III族氮化物半导体雪崩光电探测器性能，实现低噪声、低工作电压、高增益、高量子效率功能。
Description
技术领域
本发明涉及光电探测器领域，具体地，本发明涉及一种吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器。
背景技术
随着信息技术的日益更新，基于化合物半导体材料的固态光电探测技术在整个现代光电信息探测领域发挥越来越重要的作用。近年来，光电探测技术在国防、民用和科学等领域的应用日益增加，例如火焰探测、环境监测、导弹预警、量子通信、太空光通信、可见光红外摄像等等。相比于传统的以光电倍增管(PMT)为代表的真空光电探测器件，固态探测器件具有工作电压低、耐高温、抗辐射、耐腐蚀、体积小、量子效率高等优点，因而在研究和应用中发展迅猛。在固态半导体材料中，III族氮化物半导体(包括GaN、InGaN、AlGaN、AlInN和AlInGaN等化合物材料)具有直接带隙、禁带宽度调节范围宽、击穿电场高、热导率大、耐高温、抗辐射能力强、化学稳定性高，电子饱和迁移速度快等优点，通过调节多元化合物的组分可以实现可见光至紫外光信号的探测，因此成为当前固态光电探测领域中的研究热点。
固态光电探测器件可以分为光电导探测器、肖特基金属-半导体-金属(MSM)光电探测器、肖特基光电二极管、PIN型光电二极管和雪崩光电二极管几种主要类型。其中，肖特基MSM光电探测器尽管结构和制造工艺简单，但器件在零偏压下没有响应，高偏压下容易产生电流的集边效应而导致提前击穿，降低器件使用寿命；肖特基势垒光电二极管的有源区由金属与半导体的接触形成，工艺依赖度高，可靠性低且暗电流较高；PIN型光电二极管尽管具有低暗电流、高量子效率、高响应速度的优点，但是不提供内部增益，因而无法实现高灵敏度探测。基于PIN结构的雪崩光电探测器是当前优选的光电探测器件类型，可同时满足高灵敏和高速探测。但是，一般的PIN结构雪崩光电探测器，其倍增层中的电子与空穴同时参与雪崩倍增，器件性能受雪崩过剩噪声影响较大。针对这一问题，发展出的吸收、倍增层分离(SAM)结构雪崩光电二极管具有量子效率高、响应速度块增益高、过剩噪声小等特点(H.Kanbe,N.Susa,and H.Ando,“Structures of InGaAs avalanche photodiodes,”presented at the Topical Meeting Integrated and Guided Wave Opt.,Nevada,PaperWD1,Jan.1980.)，因此成为当前雪崩光电探测器中采用较多的一种结构类型。
吸收、倍增层分离结构雪崩光电二极管通过电荷层将入射光信号的吸收层和光生载流子发生碰撞电离的倍增层分隔开来，从而实现单载流子触发的碰撞电离，获得更高的增益和更低的雪崩过剩噪声。其中，将倍增层和吸收层分开的功能层—电荷层对倍增区和吸收区的电场分布有着非常重要的影响。电荷层的掺杂浓度、厚度过低、过薄会导致电荷层在较低工作电压下即因耗尽区的扩展而耗尽，无法起到分离吸收层和倍增层的作用；掺杂浓度、厚度过高、过厚则会导致吸收层中产生的光生载流子无法渡越到倍增层。因此，电荷层的结构设计(包括掺杂浓度、厚度和组分设计)至关重要。对于III族氮化物半导体，其雪崩光电二级管主要是基于三元化合物AlGaN材料的日盲紫外光电探测器。其中，AlGaN基SAM结构雪崩光电探测器，因AlGaN在Al组分低于50％的范围内已被证明为空穴碰撞电离占主导，所以采用光信号从背面(衬底一侧)入射，衬底之上的AlN缓冲层、重掺杂n型AlGaN欧姆接触层充当窗口的作用，即允许波长大于AlGaN窗口层截止波长的光信号通过。上述信号在AlGaN吸收层中被吸收，激发出电子空穴对，在反向偏电场的作用下，电子被收集到重掺杂n型AlGaN欧姆接触层一侧，空穴则被运输到具有高电场强度的倍增层，从而触发雪崩击穿，完成单载流子(空穴)触发。目前，AlGaN基SAM结构雪崩光电探测器电荷层均采用n型均匀掺杂，选取合适的厚度和掺杂浓度，可以起到分离倍增层和吸收层的作用。由于AlGaN材料，特别是高Al组分AlGaN(Al组分大于35％)中空穴的平均自由程较小(数十纳米)，因而光生空穴在渡越n型掺杂电荷层时在层中被电子复合的几率高，导致量子效率降低。此外，AlGaN基雪崩光电探测器的暗电流(反向漏电流)随工作电压上升幅度较大，因而从器件结构设计上，普遍期望能在较低工作电压下产生较高的倍增层电场强度，从而实现低工作电压、高雪崩增益。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种具有新型电荷层结构的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，与通常的AlGaN基SAM结构雪崩光电探测器的均匀掺杂电荷层相比，本发明的电荷层采用掺杂分区分布，通过在外延生长过程中调控掺杂分布以及组分，改善倍增区和吸收区的电场分布，增大倍增区电场，有利于单载流子(空穴)触发的雪崩增益，实现低噪声、高增益的高性能雪崩光电探测器，同时降低光电探测器雪崩击穿时的外加电压。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，包括衬底及生长于衬底之上的外延层，其中，外延层按自下而上的生长顺序依次为AlN缓冲层，非故意掺杂AlwGa1-wN(uid-AlwGa1-wN)过渡层，非故意掺杂AlkGa1-kN(uid-AlkGa1-kN)组分渐变层，重掺杂n型AlxGa1-xN(重掺杂n+-AlxGa1-xN)欧姆接触层，非故意掺杂AlyGa1-yN(uid-AlyGa1-yN)吸收层，电荷层，非故意掺杂AlyGa1-yN(uid-AlyGa1-yN)倍增层以及p型掺杂AlyGa1-yN(p-AlyGa1-yN)层；其中，所述的电荷层至少包括三层n型AlzGa1-zN层，且电荷层中掺杂浓度依次呈高—低—高状的马鞍型掺杂分布。
本发明通过在外延生长过程中(金属有机化学气相沉积外延外生长法(MOCVD)或分子束外延生长法(MBE))调控电荷层掺杂杂质的浓度，使得电荷层中电子浓度呈现高-低-高状的马鞍型分布，改善了倍增层和吸收层的电场，一方面使得光生空穴可以更有效地穿过电荷层到达倍增区参与雪崩倍增，同时可以更高效收集电子，减少电子对空穴参与雪崩倍增的干扰；另一方面可以有效增加倍增层的电场，有利于空穴在倍增区碰撞电离，并且降低整个器件的工作电压。此外，通过调控电荷层的组分，使得电荷层分别与倍增层和吸收层形成异质结结构，从而引入极化电场，可为倍增层提供一个与工作电场方向一致的附加电场，进一步增大倍增层中的电场强度，在相对较低的工作电压下实现高雪崩增益。本发明所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器具有低噪声、高增益、高量子效率等优异功能。
进一步地，所述电荷层包括依次层叠的较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(较高掺杂n+-AlzGa1-zN层)、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(低掺杂n--AlzGa1-zN层)和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(高掺杂n+-AlzGa1-zN)。n型掺杂AlzGa1-zN电荷层主要起到将吸收层与倍增层分隔的作用，光生空穴要渡越过电荷层而达到倍增层。在靠近吸收层一侧采用低掺杂，可以增强吸收层内部电场，使得电子更好地被收集；靠近倍增区高掺杂，相对于均匀掺杂，可以增加倍增层电场，有利于空穴在倍增区碰撞电离，并且降低整个器件的工作电压。
进一步地，所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层的掺杂浓度n7、n8、n9满足以下关系：n8<n7<n9，平均电子浓度为1×1018～2×1018cm-3。
进一步地，所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层的厚度d7、d8、d9满足以下关系：d7≤d8≤d9，总厚度为10～100nm。更优选地，d7、d8、d9满足以下关系：d7<d8<d9，此种条件下对倍增层电场的增强效应更加显著。
进一步地，所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层中平均Al组分满足：z≤y。更优选地，z<y。当电荷层采用的平均Al组分z<y时，可引入极化电场，为非故意掺杂AlyGa1-yN倍增层提供一个与工作电场方向一致的附加电场，进一步增大倍增层电场强度，降低雪崩光电探测器产生雪崩击穿所需的外加电压。
进一步地，所述高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层满足以下关系：
(1)较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层组分的厚度为d7＝3～20nm，Al组分z7＝0.35～0.65，电子浓度n7＝8×1017～1×1018cm-3；
(2)低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层组分的厚度为d8＝4～35nm，Al组分z8＝0.35～0.65，电子浓度n8＝1×1017～5×1017cm-3；
(3)高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层组分的厚度为d9＝3～45nm，Al组分z9＝0.35～0.65，电子浓度n9＝2×1018～4×1018cm-3。
本发明通过对电荷层的掺杂浓度分布、厚度以及组分进行创新设计，起到了提高光生空穴渡越电荷层的效率、增强倍增层电场强度的有益作用。
进一步地，所述的衬底为蓝宝石衬底或氮化铝衬底。
进一步地，AlN缓冲层为低温或者高温生长，低温缓冲层的厚度为10～30nm；高温缓冲层的厚度为0.2～3μm。
进一步地，所述的非故意掺杂AlwGa1-wN过渡层的厚度为0.2～1μm，Al组分w＝0.45～1，层中电子浓度为1×1016cm-3～2×1017cm-3。
进一步地，所述非故意掺杂AlkGa1-kN组分渐变层的厚度为30～100nm，Al组分k由AlwGa1-wN过渡层的Al组分w线性渐变到重掺杂n型AlxGa1-xN层的Al组分x，层中电子浓度为1×1016cm-3～2×1017cm-3。本发明结构中非故意掺杂AlkGa1-kN组分渐变层用于降低材料生长时缺陷、应力和错位，降低晶格失配系数和热膨胀系数，保证了外延层的良好性能。
进一步地，所述的重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层的厚度为0.3～1μm；Al组分范围x＝0.4～0.8，层中电子浓度为5×1017～5×1018cm-3。n型的重掺杂AlxGa1-xN欧姆接触层，兼具n型欧姆接触电极层与主要入射窗口层的作用。
进一步地，所述的非故意掺杂AlyGa1-yN吸收层的厚度为0.15～0.2μm，Al组分y＝0.35～0.7，层中电子浓度1×1016～2×1017cm-3。非故意掺杂AlyGa1-yN层吸收层的作用在于吸收光信号并产生电子空穴对。在反向偏电场作用下，光生电子被收集到n型欧姆接触层的电极，空穴被运输到至n型掺杂AlzGa1-zN电荷层。
进一步地，所述的非故意掺杂AlyGa1-yN倍增层的厚度为100～300nm，Al组分y＝0.35～0.65，电子浓度为1×1016～2×1017cm-3。非故意掺杂AlyGa1-yN倍增层的作用是利用其内部的高电场强度，使进入倍增层的光生空穴发生碰撞电离，触发雪崩效应，产生雪崩增益。
进一步地，所述的p型掺杂AlyGa1-yN层的厚度为30～200nm，Al组分0.35～0.65，空穴浓度为3×1017～5×1018cm-3。p型掺杂AlyGa1-yN接触层是构成PN结，形成倍增层内部高内建电场的重要组成部分，同时也是p型欧姆接触电极的接触层。
与现有技术相比，本发明的优异效果在于：
(1)本发明通过采用分层掺杂的方式调控电荷层，使靠近吸收层一侧低掺杂，增强了吸收层内部电场，使得电子更好地被收集，而靠近倍增区高掺杂，相对于均匀掺杂，可以增加倍增层电场，有利于空穴在倍增区碰撞电离，并且降低整个器件的工作电压；
(2)本发明电荷层中采用的平均Al组分比吸收层和倍增层的Al组分小，可引入极化电场，为倍增层提供一个与工作电场方向一致的附加电场，进一步增大倍增层中电场强度，是与其它通过改变倍增层的Al组分引入极化电场所不同的新型结构；
(3)本发明通过对电荷层进行包括掺杂浓度、厚度和组分在内的结构设计，使雪崩光电探测器具有低噪声、低工作电压、高增益、高量子效率的特性。
附图说明
图1为实施例1吸收、倍增层分离的AlGaN半导体雪崩光电探测器的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施方式，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
该结构与方法适用于制作基于吸收、倍增层分离的AlGaN三元化合物材料紫外光雪崩光电探测器，光信号从衬底一侧入射。
如图1所示，一种吸收、倍增分离结构的AlGaN半导体雪崩光电探测器，器件包括：纤锌矿结构单晶蓝宝石衬底1，利用外延生长法，如分子束外延或金属有机化学气相沉积外延法，依次在衬底1上生长的20nm的低温AlN缓冲层2、400nm的非故意掺杂AlwGa1-wN(w＝0.5～1)过渡层3、100nm的AlkGa1-kN(k＝1～0.5)组分渐变层4、0.4μm厚的重掺杂n型AlxGa1-xN(x＝0.5)欧姆接触层5(电子浓度为3×1018cm-3)、0.18μm厚的非故意掺杂AlyGa1-yN(y＝0.45)吸收层6(电子浓度为1×1017cm-3)、50nm厚的电荷层、130nm厚的非故意掺杂AlyGa1-yN(y＝0.45)倍增层10以及100nm厚的p型掺杂AlyGa1-yN(y＝0.45)层11；其中，所述的电荷层包括依次层叠的较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层7、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层8和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层9，具体参数如下：
(1)较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层7的厚度为10nm，电子浓度为1×1018cm-3，Al组分z7＝0.42；
(2)低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层8的厚度为15nm，电子浓度为1×1017cm-3，Al组分z8＝0.40；
(3)高掺杂浓度的AlzGa1-zN层9的厚度为25nm，电子浓度为2×1018cm-3，Al组分z9＝0.42。
本实施例中，由较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层7、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层8和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层9构成的电荷层，其电子浓度呈现马鞍型的掺杂分布，与单一Al组分、均匀掺杂的电荷层SAM结构雪崩光电探测器相比，在相同工作电压下不仅可以增加倍增层电场强度，有利于空穴在倍增区的碰撞电离、提高雪崩增益、降低暗电流，而且可以提高光生空穴渡越电荷层的几率，提升量子效率，从而实现低噪声、高增益、高量子效率的高性能AlGaN紫外光雪崩光电探测器的制备。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，包括衬底(1)及生长于衬底(1)之上的外延层，其中，外延层按自下而上的生长顺序依次为AlN缓冲层(2)，非故意掺杂AlwGa1-wN过渡层(3)，非故意掺杂AlkGa1-kN组分渐变层(4)，重掺杂n型AlxGa1-xN欧姆接触层(5)，非故意掺杂AlyGa1-yN吸收层(6)，电荷层，非故意掺杂AlyGa1-yN倍增层(10)以及p型掺杂AlyGa1-yN层(11)；其中，所述的电荷层至少包括三层n型AlzGa1-zN层，且电荷层中掺杂浓度依次呈高—低—高状的马鞍型掺杂分布；
所述电荷层包括依次层叠的较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(7)、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(8)和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(9)；
所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(7)、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(8)和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(9)的掺杂浓度n7、n8、n9满足以下关系：n8<n7<n9，平均电子浓度为1×1018～2×1018cm-3。
2.根据权利要求1所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(7)、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(8)和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(9)的厚度d7、d8、d9满足以下关系：d7≤d8≤d9，总厚度为10～100nm。
3.根据权利要求1所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(7)、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(8)和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(9)中平均Al组分满足：z≤y。
4.根据权利要求1-3任一权利要求所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(7)、低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(8)和高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(9)满足以下关系：
(1)较高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(7)组分的厚度为d7＝3～20nm，Al组分z7＝0.35～0.65，电子浓度n7＝8×1017～1×1018cm-3；
(2)低掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(8)组分的厚度为d8＝4～35nm，Al组分z8＝0.35～0.65，电子浓度n8＝1×1017～5×1017cm-3；
(3)高掺杂浓度的n型AlzGa1-zN层(9)组分的厚度为d9＝3～45nm，Al组分z9＝0.35～0.65，电子浓度n9＝2×1018～4×1018cm-3。
5.根据权利要求1所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述的衬底(1)为蓝宝石衬底或氮化铝衬底。
6.根据权利要求1所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述的AlN缓冲层(2)为低温或者高温生长，低温缓冲层的厚度为10～30nm；高温缓冲层的厚度为0.2～3μm。
7.根据权利要求1所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述的非故意掺杂AlwGa1-wN过渡层(3)的厚度为0.2～1μm，Al组分w＝0.45～1，层中电子浓度为1×1016cm-3～2×1017cm-3。
8.根据权利要求1所述的吸收、倍增层分离结构的III族氮化物半导体雪崩光电探测器，其特征在于，所述非故意掺杂AlkGa1-kN组分渐变层(4)的厚度为30～100nm，Al组分k由AlwGa1-wN过渡层(3)的Al组分w线性渐变到重掺杂n型AlxGa1-xN层(5)的Al组分x，层中电子浓度为1×1016cm-3～2×1017cm-3。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810219693.1A CN108305911B (zh) | 2018-03-16 | 2018-03-16 | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810219693.1A CN108305911B (zh) | 2018-03-16 | 2018-03-16 | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108305911A CN108305911A (zh) | 2018-07-20 |
| CN108305911B true CN108305911B (zh) | 2019-10-25 |
Family
ID=62849864
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810219693.1A Active CN108305911B (zh) | 2018-03-16 | 2018-03-16 | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108305911B (zh) |
Families Citing this family (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109148623B (zh) * | 2018-08-20 | 2020-06-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 一种具有低噪声的AlGaN基雪崩光电二极管及制备方法 |
| CN109300980B (zh) * | 2018-09-25 | 2020-04-03 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 一种高迁移率高空穴浓度P型AlGaN材料及其生长方法 |
| CN110047955B (zh) * | 2019-03-08 | 2020-12-22 | 中山大学 | 一种AlGaN紫外雪崩光电二极管探测器及其制备方法 |
| CN110165013A (zh) * | 2019-04-28 | 2019-08-23 | 上海科技大学 | 一种ⅲ族氮化物雪崩光电二极管组件及其制备方法 |
| CN110148648B (zh) * | 2019-05-17 | 2021-05-11 | 东南大学 | 一种具有双掺杂Al组分渐变分离层的紫外探测器 |
| CN111739960B (zh) * | 2020-05-14 | 2022-07-26 | 中山大学 | 一种增益型异质结紫外光电探测器 |
| CN113707751B (zh) * | 2021-08-31 | 2022-12-06 | 中国科学院半导体研究所 | 单光子雪崩光电探测器及其制备方法 |
| CN117317053A (zh) * | 2023-10-17 | 2023-12-29 | 北京邮电大学 | 一种五级倍增的雪崩光电二极管 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7187013B2 (en) * | 2004-07-22 | 2007-03-06 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Avalanche photodiode |
| WO2011083657A1 (ja) * | 2010-01-07 | 2011-07-14 | 株式会社日立製作所 | アバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機 |
| CN102593234A (zh) * | 2012-02-22 | 2012-07-18 | 中山大学 | 一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器 |
| CN103077996A (zh) * | 2013-02-08 | 2013-05-01 | 中国科学院半导体研究所 | 一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特性的方法 |
| CN104362213A (zh) * | 2014-09-11 | 2015-02-18 | 东南大学 | 一种铝镓氮基日盲紫外探测器及其制备方法 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH01296676A (ja) * | 1988-05-24 | 1989-11-30 | Nec Corp | 半導体受光装置 |
| CN102820367A (zh) * | 2012-09-11 | 2012-12-12 | 中山大学 | 基于异质结构吸收、倍增层分离GaN基雪崩光电探测器 |
-
2018
- 2018-03-16 CN CN201810219693.1A patent/CN108305911B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7187013B2 (en) * | 2004-07-22 | 2007-03-06 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Avalanche photodiode |
| WO2011083657A1 (ja) * | 2010-01-07 | 2011-07-14 | 株式会社日立製作所 | アバランシェフォトダイオード及びそれを用いた受信機 |
| CN102593234A (zh) * | 2012-02-22 | 2012-07-18 | 中山大学 | 一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器 |
| CN103077996A (zh) * | 2013-02-08 | 2013-05-01 | 中国科学院半导体研究所 | 一种雪崩光电探测器和提高雪崩光电探测器高频特性的方法 |
| CN104362213A (zh) * | 2014-09-11 | 2015-02-18 | 东南大学 | 一种铝镓氮基日盲紫外探测器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| AlGaAs/GaAs SAM-avalanche photodiode：An X-ray detector for low energy photons;J. Lauter等;《Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A: Accelerators,Spectrometers,Detectors and Associated Equipment》;19950315;全文 * |
| 吸收倍增分离式雪崩光电二极管的噪声模型研究;罗海月 等;《长沙大学学报》;20070331;第21卷(第2期);全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN108305911A (zh) | 2018-07-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108305911B (zh) | 吸收、倍增层分离结构的ⅲ族氮化物半导体雪崩光电探测器 | |
| CN106847933B (zh) | 单片集成紫外-红外双色雪崩光电二极管及其制备方法 | |
| CN107863413B (zh) | 一种AlGaN基日盲紫外雪崩异质结光电晶体管探测器及其制备方法 | |
| CN105720130B (zh) | 基于量子阱带间跃迁的光电探测器 | |
| CN106960887B (zh) | 一种铝镓氮基日盲紫外探测器及其制备方法 | |
| CN109494275B (zh) | 一种AlGaN基日盲紫外光电晶体管探测器及其制作方法 | |
| CN109686809B (zh) | 一种iii族氮化物半导体可见光雪崩光电探测器及制备方法 | |
| US7202102B2 (en) | Doped absorption for enhanced responsivity for high speed photodiodes | |
| CN110047955B (zh) | 一种AlGaN紫外雪崩光电二极管探测器及其制备方法 | |
| CN102386269B (zh) | GaN基p-i-p-i-n结构紫外探测器及其制备方法 | |
| CN107403848B (zh) | 一种背照式级联倍增雪崩光电二极管 | |
| CN111739960B (zh) | 一种增益型异质结紫外光电探测器 | |
| CN105590971B (zh) | AlGaN日盲紫外增强型雪崩光电探测器及其制备方法 | |
| CN109285914B (zh) | 一种AlGaN基紫外异质结光电晶体管探测器及其制备方法 | |
| CN105655437A (zh) | 一种紫外雪崩光电探测器 | |
| CN105742399A (zh) | 一种三族氮化物基双异质结光电晶体管 | |
| TW201507187A (zh) | 高速光偵測器 | |
| CN109980040A (zh) | 一种氧化镓mis结构紫外探测器 | |
| CN107452820A (zh) | 一种同质界面二维δ掺杂型PIN紫外探测器 | |
| CN107195709B (zh) | 一种三族氮化物基异质结光电晶体管 | |
| CN106206832A (zh) | 一种单级阻挡结构窄带通紫外探测器 | |
| CN113471326B (zh) | 一种ⅲ族氮化物异质结光电探测器 | |
| CN110459627B (zh) | 一种紫外-可见双波段光电探测器 | |
| CN102593234B (zh) | 一种基于异质结构的吸收、倍增层分离的紫外雪崩光电探测器 | |
| Liang et al. | A review on III–V compound semiconductor short wave infrared avalanche photodiodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |